分子生物学3第三章 有机体、染色体和基因

第三章有机体、染色体和基因(3、12)第一节生命有机体第二节原核生物染色体和基因第三节真核生物的染色体第四节真核生物的基因第一节生命有机体一、生命有机体的划分按照细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布，生命有机体可大致划分为：原核生物（Prokaryotes）真核生物（Eukaryotes）☆原核生物（Prokaryotes）遗传物质－－类核或拟核习惯上也称为染色体类核或拟核☆真核生物（Eukaryotes）遗传物质集中存在于核膜包围的细胞核中,并与特殊的蛋白质结合为核蛋白－－染色体☆超分子的亚细胞生命形式病毒（寄主为动、植物）使用真核生物的遗传法则噬菌体(细菌或病毒)适应了原核生物的遗传策略繁殖必须在寄主体内进行，因而遗传机制与寄主密切相关如：病毒（virus）噬菌体(phage）原核真核体积小（1－10µm）较大(（5－100µm）核膜无核膜有核膜基因组DNA与非组蛋白结合，基因组位于类核中DNA与组蛋白及非组蛋白结合，形成染色体细胞器无内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体能量代谢无线粒体，氧化还原酶系统位于质膜上氧化还原酶系统位于线粒体中细胞骨架无由微丝、微管和中间纤维组成分裂形式裂殖或出芽有丝分裂和减数分裂真核细胞和原核细胞的区别：第二节原核生物染色体和基因一、大肠杆菌（EscherichiacoliE.coli

）1、大肠杆菌在实际工作中的重要性1885TheodorEscherich(德国)原命名为Bacteriumcoli将其属名改为Escherichia是为了纪念发现者经常被当作是所有生物的原型（archetype）b、生长迅速，要求营养物质简单，能进行很多生理生化过程c、有性生殖，可进行遗传学的研究(如遗传杂交及遗传性状的分析）d、能够供应病毒的生长，进行病毒扩增的研究a、在实验室中容易操作因为:◙类核中，染色体DNA成分占80％，其余为RNA和蛋白质◙4.6x106bp的基因组DNA与多种DNA结合蛋白质组装成E.coli的染色体◙基因组DNA为双链环状，总长度为1.3mm，1400以上的基因（共3000－4000个）都已定位（1）染色体DNA2、大肠杆菌的遗传物质包括染色体DNA和质粒DNA☻E.coli的基因结构的特点a、功能相关的几个结构基因以操纵元（operon）的形式存在其中包括共同的调节基因、启动子（promoter）、操作子（operator）,它们在基因转录时协同动作iOperonRegulatoryGenepozyADNAm-RNAβ

-GalactosidasePermeaseTransacetylaseProteinE.coli染色体的基因图b、功能相关的RNA基因也串联在一起(rrn操纵元)，如：16SrRNA、23SrRNA、5SrRNA基因转录在同一个转录产物中d、RNA基因多拷贝大多数的E.coli菌株都含有七个rrn（其中六个分布在E.coliDNA的双向复制起点附近）c、蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在3、大肠杆菌的酶类细胞中含有核酸代谢所需的各种酶类

多种限制性内切酶（restrictionendonuclease）只在特异顺序碱基的位点上（迴文序列）与DNA结合，并沿固定的位点切割如：E.coli的EcoRⅠ的识别序列5‘…..G--A--A--T--T--C……3’3’…..C--T--T--A--A--G…….5’限制性内切酶－－－最基本的工具酶，在DNA测序、片段分离、克隆DNA的环节都要用到二、噬菌体（phage）1、ΦX174噬菌体很小的E.coli噬菌体DNA为单链环状，有5386个核苷酸（FrederickSanger于1977分析测定，为此荣获第二次诺贝尔奖）2、ΦX174噬菌体基因排列更加体现经济原则b、DNA分子绝大部分用来编码蛋白质，不翻译部分只占4％（基因之间的间隔区控制基因表达的序列）a、11个蛋白质基因，只转录成三个mRNA重迭基因有以下几种情况：

*一个基因完全在另一个基因内部如：B和A＊E和D其读码结构互不相同c、最显著的特点是有重叠基因（overlappinggenes或嵌套基因nestedgenes）

---ATG-----//------AATGCC----//---ATAACG---//--TAA----A*BATGCCN----NNATAA*部分重叠K和C*两个基因共用少数碱基对

如：A*和CD和J-------ATGA-------CStartcodon-------TAATG-------A*StopcodonDStopcodonJStartcodon2、λ噬菌体双链DNA长度48502bp(48Kb)*其DNA分子有三种存在形式a、两个粘性末端分离的线性分子COS位点(cohesive-endsite)c、闭合环状分子（粘性末端

互补，DNA连接酶连接）b、带有切刻的环状分子（开环的粘性末端互补后未连接的）*其基因均是按功能相近的聚集成簇的（两个正调节基因N和Q除外）*存在形式在寄主体内有溶源生长周期（原噬菌体）和溶菌生长周期两种生活途径第三节真核生物的染色体一、概述：*真核DNA＋组蛋白核小体*核小体折叠压积染色质（chromatin）（其它的蛋白质和RNA）*大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在（弥散状）

M期－－染色体形式*染色质有两种型a、常染色质：密度较低，能被表达b、异染色质：密度较高，不被表达（着丝粒、端粒）CellcycleInterphase间期:G1+S+G2Mphase(mitosis有丝分裂):二、组蛋白（Histone）与Euk.的DNA结合的一类碱性蛋白质*染色体的主要蛋白质组分*富含Lys、Arg等碱性氨基酸，11KD～23KD*核心组蛋白有H2A、H2B、H3和H4，另一种为H1*与DNA紧密结合*保守性强，但H1的保守性较弱H2BH2AH3H4a2a3a1a2a3a1a2a3a1a2a3a1L1L2aN*组蛋白八聚体（Histoneoctamer）H2A与H2B、H3与H4的亲和力强，通过C端的疏水氨基酸结合两个H3、H4先形成四聚体结合两个H2A和H2B的异二聚体组蛋白八聚体二、核小体（Nuclearsome）*染色体结构的第一个层次，构成染色质的基本结构单位

*足量的微球菌核酸酶处理染色质可得到＃146bpDNA＋组蛋白八聚体→核小体的核心颗粒

直径约10nm1、核小体的组成组蛋白八聚体146bp的核心DNA146bp的核心DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.8圈Mononucleosomestypicallyhave~200bpDNA.End-trimmingreducesthelengthofDNAfirstto~165bp,andthengeneratescoreparticleswith146bp.＃微球菌酶处理所得核小体DNA长度的变化Chromatosome166bp,2superhelicalturnHistoneH1*组蛋白H1把核小体“封锁”起来其中，166bp核小体DAN的堆积比为1056nm线性长度→5.6nm螺线管连接DNA<10to>100bp平均55bpNucleosomeHistoneH1Nucleosomerepeat:Core+linkerDNA200bp2、染色体结构的形成

（1）首先若干个核小体形成念珠状结构

The10nmfiberisacontinuousstrongofnucleosomes.每个核小体单位包括：200bp左右的DNA、一个组蛋白八聚体、一分子H1

高度有序

左手螺旋

每圈包括六个核小体30nmfiber(直径30nm)Solenoid(螺线管）（2）30nm纤丝的构成－－

染色质结构的第二层次a、组成Nuclearmatrix(核基质),proteincomplex30nmfiber300nmb、体内存在状态从DNA到染色体的过程Compactionratio=8000Centromere着丝粒Telomere有丝分裂中期的染色体姊妹染色单体Nuclearmatrix核基质30nm纤丝环Chromatid染色单体3、着丝粒（centromere或中心粒)和端粒(telomere)（1）着丝粒(centromere)Yeastcentromere富含AT,两侧有高度重复的卫星DNA,属异染色质区a、真核染色体线性DNA末端的特殊DNA序列b、有数百个拷贝的短的正向重复序列,且总是3’端富含G如：人体内5’-TTAGGG-3’c、复制靠端粒酶（telomerase核蛋白)来完成，不同于正常DNA的复制d、端粒DNA形成特殊的二级结构（G四联体形成四链结构）以使染色体末端免遭降解（2）端粒(Telomere)第四节真核生物的基因Genome&genes(基因组和基因的关系）Genome:allDNAsequencesinacellGenes:编码某一蛋白质或RNA的一段DNA序列（astretchofcontinuousDNAsequenceencodingaproteinorRNA）C-valueisthequantityofDNAinthegenome(perhaploidsetofchromosomes).C-valueparadox(C值矛盾)referstothelackofacorrelationbetweengenomesizeandgeneticcomplexity一、相关概念

基因组（genome）：是指细胞或生物体的全套遗传物质，即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体所含的全部基因（DNA）。allDNAsequencesinacell

比如人基因组的全长为大约3X109对碱基，编码3-4万个基因基因（Genes）：编码某一蛋白质或RNA的一段DNA序列。（astretchofcontinuousDNAsequenceencodingaproteinorRNA）☆基因组和基因C值（C-value）：一种生物体的单倍体基因组DNA的总量。[

thequantityofDNAinthegenome(perhaploidsetofchromosomes).]☆C值反常理论（C-valueparadox)支原体细菌酵母霉菌蠕虫昆虫鸟类两栖类哺乳类1010109108107106从编码每类生物所需要的DNA的量的最低值看，生物细胞中的C值具有从低等生物到高等生物逐渐增加的趋势植物鸟类哺乳动物爬行动物两栖动物硬骨鱼软骨鱼棘皮动物甲壳动物昆虫软体动物蠕虫霉菌藻类真菌格兰氏阳性菌格兰氏阴性菌支原体阴影部分为一个门内C-值的范围

低等动物的C值大于高等动物如：两栖类的C值大于哺乳类肺鱼的C值比哺乳动物大10－15倍同一门中的动物C值变化很大如：两栖类中的C值变化很大，可相差100倍家蝇的比果蝇的大6倍C值反常（C-valueparadox)：基因组的大小与基因组的复杂性之间缺乏一定的联系。（thelackofacorrelationbetweengenomesizeandgenomecomplexity）许多的DNA序列不编码蛋白质表现：二、真核生物DNA的复性动力学(重新结合动力学Reassociationkinetics）·基因组DNA的提取

·超声处理或剪切到一定的长度 (x100-1000bp)

·温度变性

·退火（Re-annealing）

·测量并捕捉退火过程得出复性动力学曲线C／C0＝1／（1＋kC0t）

(紫外吸收法、羟基磷灰石柱层析法)●真核生物复性动力学研究HighlyrepetitiveDNAmoderatelyrepetitiveDNAuniqueDNAHumanE.coli三、真核生物基因组的DNA类型高度重复序列、中度重复序列单一序列复性反应分为三相，

每相代表不同复杂长度的序列类型1、高度重复序列（Highlyrepetitivesequence）分布于着丝点,端粒区（原位杂交）,结构基因两侧往往没有转录功能，（着丝粒纺锤体）占基因组的10-60%,长度2～10bp(6～100bp)，重复数以百万次106许多富含A·T高度重复序列可以用密度梯度离心法分离出来卫星DNA（SatelliteDNA）：将DNA切成数百个碱基对的片段进行超速离心时，由于富含AT的简单高度重复序列区段浮力密度较小，因而很容易和总体DNA分开，即常会在主要的DNA带的上面有一个次要的带相伴随MousegenomeDNA30%GCinsatelliteDNACsCl离心ACAAACT,1.1x107拷贝,卫星Ⅰ25%genomeATAAACT,3.6x106拷贝,卫星Ⅱ8%genomeACAAATT,3.6x106拷贝,卫星Ⅲ8%genomeSatellitescomprisemorethan40%ofthegenome果蝇（Drosophila）卫星DNAn5’–ATAAACTATAAACTATAAACT–3’3’–TATTTGATATTTGATATTTGA–5’（根据重复频率和大小又可分为小卫星和微卫星DNA）☆数目可变的串联重复或小卫星

(Variablenumbertandemrepeats.VNTR)

短的串联重复5-50copies有共同的核心序列，同一群体中个体间重复次数变动很大，所以个体间长度变化很大（DNA长度多态性）可利用其得到DNA指纹图（DNAfingerprinting）DNA指纹图的制作DNA指纹图在法医上得到广泛应用限制性内切酶切割DNA电泳分离不同长度的DNA片段小卫星探针与之杂交显示不同长度的小卫星片段微卫星（Microsatellite)又称简单序列重复（simpleSequenceRepeat,SSR)

一般以1－6个碱基为核心序列

存在于基因组的广泛区域：基因的间隔区，内含子，外显子，调控区不同物种，微卫星含量不同：真核生物平均50－150kb一个微卫星不同微卫星在不同物种中丰度不同：哺乳动物基因组，(AC)n最丰富，植物基因组，(AT)n最丰富真核生物基因组中，二核苷酸微卫星最丰富，三核苷酸微卫星比二核苷酸微卫星低10倍，四核苷酸微卫星更少作为DNA分子标记，构建遗传图谱2、中度重复序列(middlerepetitivesequence)100-几千bp/copy10-104copies/genome占基因组的10％－40％（小鼠占20％，果蝇中占15％）分散在不重复序列之间无编码功能的中度重复序列如：Alu家族有